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中 北 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號(hào)：
學(xué) 院、系：
信息與通信工程學(xué)院、電氣工程系
專 業(yè)：
電氣工程及其自動(dòng)化
設(shè) 計(jì) 題 目：
四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師:
2013 年 3 月 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
1 本課題的選題背景意義
四旋翼飛行器設(shè)計(jì)任務(wù)的到來，為研究和設(shè)計(jì)超小型飛行器創(chuàng)造了條件。當(dāng)前，四旋翼飛行器的研究還處在初級(jí)發(fā)展階段。隨著微米納米科技的迅猛發(fā)展和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的蓬勃興起，可以看到，四旋翼飛行器可能會(huì)走向?qū)嵱没?，急需解決的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)還很多，有些問題甚至在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都可能難以解決，只有用現(xiàn)有的技術(shù)盡最大可能地解決現(xiàn)有的問題，我們才能不斷地走在科技發(fā)展的前列。四旋翼飛行器的研制是一項(xiàng)包含了多種交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù)，其研究水平在一定程度上可以反映一個(gè)國(guó)家在微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)力。它的研制不僅是對(duì)其自身問題的解決，更重要的是，還能對(duì)其它許多相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。 四旋翼飛行器的研究領(lǐng)域十分廣闊，并且隨著研究的不斷深入，其研究范疇還在繼續(xù)擴(kuò)大。本課題不可能將所有問題都包含其中，而只能就其中的部分技術(shù)問題開展一些探索性研究工作[1][2]。
自動(dòng)駕駛儀原意是用自動(dòng)器取代駕駛員，但是，一直到現(xiàn)在，作為自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)基本組成部分的自動(dòng)駕駛儀實(shí)際上并無法完全取代駕駛員的職能，只有最完善的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)才能真正取代駕駛員，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)飛行[3]。自動(dòng)駕駛儀的基本功能可以列舉如下：
（1） 自動(dòng)保持三軸穩(wěn)定，具體地說，即自動(dòng)保持偏航角和俯仰角與某一希望角度，滾轉(zhuǎn)角保持為零進(jìn)行直線飛行。
（2） 駕駛員可以通過旋鈕或者其他控制器給定任意航向或俯仰角，使飛機(jī)自動(dòng)改變航向并穩(wěn)定于該航向，或使飛機(jī)上仰并保持給定俯仰角。
（3） 自動(dòng)保持飛機(jī)進(jìn)行高度飛行。
（4） 駕駛員通過控制器操縱飛機(jī)自動(dòng)爬高或俯沖，達(dá)到某一預(yù)定高度，然后保持這個(gè)高度[4]。
2 本課題的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀
（一）國(guó)外的研究成果
UVA，即沒有出現(xiàn)在機(jī)飛行員的飛行器。它包括：旋翼式飛機(jī)、直升機(jī)、軟式小型飛船以及其他飛行器。相對(duì)于有人駕駛的系統(tǒng)而言，UAV具有很多優(yōu)勢(shì)（例如機(jī)動(dòng)性，即瞬時(shí)改變姿態(tài)的能力），近些年來在控制和商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了相當(dāng)客觀的利潤(rùn)[5]。UVA的有事包括搜尋和營(yíng)救、監(jiān)視、遠(yuǎn)程檢查、以及使飛行員免于危險(xiǎn)條件下飛行的軍事應(yīng)用等。主要應(yīng)用有：難以接近或很難到達(dá)的工作環(huán)境（例如星際飛行）；危險(xiǎn)的工作環(huán)境（例如戰(zhàn)爭(zhēng)中）；飛行單調(diào)的工作環(huán)境；飛行時(shí)間長(zhǎng)的工作環(huán)境（大氣觀測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊龋?；及時(shí)是熟練的飛行員也不能勝任的飛行條件（例如，電影特技，飛行器的試驗(yàn)飛行等等）[6][7]。
人類的進(jìn)步與創(chuàng)造性的幻想是分不開的。十八世紀(jì)后期，氣球出乎意料地把人輕而易舉地送到空中，開創(chuàng)了人類飛行實(shí)驗(yàn)的新紀(jì)元，并為后來飛機(jī)的上天開辟了道路。1903年，美國(guó)萊特兄弟成功研制出世界上第一架能載人飛行的動(dòng)力飛機(jī)，從而真正揭開了人類近代航空發(fā)展史的序幕[8]。人類對(duì)四旋翼飛行器的夢(mèng)想和渴望由來己久，但受到理論認(rèn)識(shí)和科技發(fā)展速度制約，四旋翼飛行器在很長(zhǎng)一段時(shí)間里并未得到足夠的重視和發(fā)展。
四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)最早可以追溯到1907年，在Richet教授的指導(dǎo)下，Breguet兄弟Louis和Jacque制造了第一架旋翼式飛行器，Breguet-Richet四旋翼飛行器的框架是由四個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的焊接鋼管支架組成，并按水平十字交叉形式分布，處于對(duì)角線位置的旋翼，其中一對(duì)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，而另一對(duì)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)[9]。據(jù)說該四旋翼飛行器已經(jīng)飛了起來，并且攜帶飛行員飛到了1.5m的高度，但飛行時(shí)間很短。然而這次飛行中沒有用到任何的控制，可想而知，四旋翼飛行器的這次飛行的穩(wěn)定性是很差的[10]。
過萊特兄弟研制的第一架動(dòng)力飛機(jī)試飛陳功。此后，飛行器在科學(xué)和民用領(lǐng)域得到了人們廣泛的認(rèn)可，并最終成為了運(yùn)輸、娛樂和戰(zhàn)爭(zhēng)的可行性選擇[11]。自從那時(shí)起，技術(shù)上已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，并且開發(fā)的飛行器種類也越來越多。除了飛機(jī)，20世紀(jì)初期也已經(jīng)制造出了直升機(jī)[12]。
旋翼式直升機(jī)中有一種叫做Ouadrotor的垂直起降機(jī)，也就是本人提到的四旋翼直升機(jī)。Ouadrotor這一概念很久以前就已經(jīng)提出了[13]。
20世紀(jì)初，法國(guó)科學(xué)家和學(xué)者Charles Richet制造了一個(gè)非常小的、沒有駕駛員的旋翼式直升機(jī)。盡管該旋翼式直升機(jī)的飛行試驗(yàn)沒有成功，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)使得Richet的一個(gè)學(xué)生Louis Breguet獲得了靈感，并且不久之后成為了著名的航空學(xué)先驅(qū)。1906年的下半年，在Richet 教授的指導(dǎo)下，Breguet兄弟來自于著名的Breguet鐘表制造世家，并且具有豐富的工作原理知識(shí)和足夠進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)工作的資金[14]。1907年，Breguet 兄弟制造了他們的第一架旋翼式直升機(jī)，即Breguet-Richet “旋翼機(jī)1號(hào)”。Breguet-Richet四旋翼直升機(jī)的框架是由四個(gè)常常的焊接鋼管支架組成，并按照水平十字交叉形式分布，看起來有點(diǎn)像幾個(gè)梯子裝配在一起。1907年8月和9月間，“旋翼機(jī)1號(hào)”在法國(guó)北方小鎮(zhèn)杜埃進(jìn)行了第一次飛行試驗(yàn)。據(jù)說該四旋翼直升機(jī)已經(jīng)飛了起來，并且攜帶飛行員飛到了1.5米的高度，但飛行時(shí)間很短[15]。然而這次飛行中沒有用到任何控制，可想而知，四旋翼直升機(jī)的這次飛行處女秀的穩(wěn)定性是很差的。
George De Bothezat在美國(guó)俄亥俄州西南部城市代頓的美國(guó)空軍部建造了另一架大型的四旋翼直升機(jī)[16]。直升機(jī)四個(gè)螺旋槳的直徑每個(gè)都是26英尺，并且全部的四個(gè)螺旋槳都是由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的。雖然De Bothezat四旋翼直升機(jī)先后進(jìn)行了100多次飛行試驗(yàn)，但是仍然無法很好的控制其飛行，并且沒有達(dá)到?jīng)]過空軍標(biāo)準(zhǔn)。
20世紀(jì)30年代，出現(xiàn)了一種叫做Oemichen的四旋翼直升機(jī)，該直升機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了1km的垂直飛行[17]。
緊接著Convertawings在紐約的Amitycille又制造了一架四旋翼直升機(jī)。該飛行器的螺旋槳在直徑上超過了19英尺，并通過機(jī)翼產(chǎn)生向前的飛行的升力。該四旋翼直升機(jī)在設(shè)計(jì)中用了兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，并且通過改變每個(gè)螺旋槳提供的推力來控制飛行器。雖然Convertawings四旋翼直升機(jī)飛行很成功，但遺憾的是由于缺乏對(duì)于這種飛行器的興趣，導(dǎo)致了工程設(shè)計(jì)人員研究的停止[18][19]。
在此之后的數(shù)十年中，四旋翼直升機(jī)沒有什么大的進(jìn)展。然而，近幾十年來，四旋翼直升機(jī)又引起人們極大的興趣，很多學(xué)術(shù)論文不斷發(fā)表。結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，動(dòng)力學(xué)特性上進(jìn)行了深入研究，尤其是傳感器也進(jìn)行了大膽的嘗試，控制方法上更是不斷嘗試新方法。這些資料可以增進(jìn)研究和愛好者對(duì)四旋翼的了解和認(rèn)識(shí)[20][21]。
（二）國(guó)內(nèi)的研究成果
近幾十年來，四旋翼直升機(jī)又引起人們極大的興趣，很多學(xué)術(shù)論文不斷發(fā)表[22]。結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，動(dòng)力學(xué)特性上進(jìn)行了深入研究，尤其是傳感器也進(jìn)行了大膽的嘗試，控制方法上更是不斷嘗試新方法[23] 。
雖然國(guó)際上針對(duì)四旋翼飛行器已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)廣泛和深入的研究，但在國(guó)內(nèi)，目前這一方面的研究成果還很少。
3 本設(shè)計(jì)完成的主要工作
飛行控制計(jì)算機(jī)是自動(dòng)駕駛儀的核心組成部分，也是實(shí)現(xiàn)技術(shù)的主要內(nèi)容。
1.首先應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)的硬件選型，然后重點(diǎn)研究自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各部分工作電路[24][25]。
2.對(duì)自動(dòng)駕駛儀控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，并且提出總體結(jié)構(gòu)。
3.簡(jiǎn)單分析自動(dòng)駕駛儀的結(jié)構(gòu)形式，重點(diǎn)分析其工作原理。
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
1 本課題要解決的問題
1.1如何對(duì)自動(dòng)駕駛儀控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，提出飛行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；
1.2把小擾動(dòng)線性化的數(shù)學(xué)模型作為四旋翼飛行器控制對(duì)象，進(jìn)行控制率設(shè)計(jì)；研究途徑?jīng)]有針對(duì)性寫
1.3如何對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行特性選型和分析；
1.4仿真參數(shù)的設(shè)置、仿真調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題（數(shù)據(jù)類型的匹配問題等）如何解決。研究途徑?jīng)]有針對(duì)性寫，需要補(bǔ)充
2本課題擬采用的研究途徑
2.1 飛行控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)需求，采用如圖所示的數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
這是什么圖，需要加標(biāo)注
圖1 飛行控制系統(tǒng)模塊框圖
圖中虛線以上部分是空中機(jī)載平臺(tái)，其核心是基于 C8051F020 的飛行控制計(jì)算機(jī)。機(jī)載平臺(tái)還包括一些非常重要的傳感器。
機(jī)載平臺(tái)和地面控制站之間通過無線接受發(fā)送器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，地面控制站主要負(fù)責(zé)飛行監(jiān)控和飛行任務(wù)的制定，而機(jī)載平臺(tái)負(fù)責(zé)導(dǎo)航和飛行控制。地面控制站接收機(jī)載平臺(tái)的飛行信號(hào)，以便飛行控制人員監(jiān)控自主飛行，調(diào)整控制策略或者在必要的時(shí)候?qū)⒆詣?dòng)飛行切換到手動(dòng)，由飛行員通過遙控器來控制飛行器的飛行。另外，地面上還提供一個(gè)DGPS基準(zhǔn)站，配合機(jī)載平臺(tái)上的DGPS一起工作，以提供更加精確的測(cè)量結(jié)果。
2.2 系統(tǒng)硬件的選型和特性分析
1. 處理器 鑒于飛行控制系統(tǒng)需求，特別是為了達(dá)到其控制性能要求的情況下，滿足重量輕、體積小、功耗低和成本低要求，處理器考慮在集成度高的高性能單片機(jī)中選擇。C8051F020 芯片幾乎無需增加額外芯片就能滿足要求。
2. 傳感器 為了測(cè)量四旋翼飛行器的 3 軸角速度和 3 軸線加速度信息，系統(tǒng)選用航天長(zhǎng)城科技有限公司的 MIN-IVA900 慣性測(cè)量單元模塊。由于慣性測(cè)量單元的誤差隨時(shí)間積累，單獨(dú)提供飛行器的姿態(tài)信息不能滿足系統(tǒng)的自主飛行控制要求，因此需要使用三軸磁航向計(jì)對(duì)慣性測(cè)量單元的航向姿態(tài)信息進(jìn)行修正。系統(tǒng)選用霍尼韋爾公司的三軸智能數(shù)字磁航向計(jì) HMK2300來檢測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，通過 RS-232 或者 RS-485 協(xié)議與外界通訊。系統(tǒng)選用 DGPS 來確定四旋翼飛行器的位置。
3. 執(zhí)行器 由于四旋翼飛行器要求成本低、重量輕，系統(tǒng)選用 A2915 外傳子無刷直流電機(jī)。A2915 無刷直流電機(jī)工作電壓為 7.2-16.8VDC，電流為 3-35A功效為 90％，重量?jī)H為 154g，通過改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間和通電周期的比值(即占空比)來改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
2.3 自動(dòng)駕駛儀配置
1. 根據(jù)四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的需求和系統(tǒng)硬件的選型，自動(dòng)駕駛儀采用如下配備方案：
(1)提供足夠的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。
(2)提供 4 個(gè) RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的串行通信口，1 個(gè) I/O 口，分別分配給慣性測(cè)
量單元模塊、磁航向計(jì)、DGPS、數(shù)字電臺(tái)和高度計(jì)。
(3)提供 4 路控制電機(jī)的高精度 PWM 控制信號(hào)。
(4)提供 4 個(gè) I/O 口，用來采樣 4 個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。
2.自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)
根據(jù)飛行控制計(jì)算機(jī)的配置和 C8051F020 的特性，設(shè)計(jì)飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示。
這是什么圖，需要加標(biāo)注，并簡(jiǎn)短說明該圖是干什么的
圖2 飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)
基于四旋翼飛行器體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)，挑選材料時(shí)，盡可能選用貼片封裝的電阻、電容及元器件，使整機(jī)重量減輕，盡可能選用低功耗的CMOS 元器件，使整機(jī)功耗降低?？紤]到控制程序可能用到大量數(shù)據(jù)，需要較大的內(nèi)存空間，因此采用靜態(tài) RAM 芯片 IS62C256 在 C8051F020 片外擴(kuò)展了 32KBSRAM。
2.4 控制率的設(shè)計(jì)
四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖中包括 6 個(gè)控制回路，設(shè)計(jì)的控制律簡(jiǎn)要總結(jié)如下：
(1)俯仰(滾轉(zhuǎn))姿態(tài)控制回路，采用參數(shù)最優(yōu)法整定的比例積分控制。
(2)偏航角控制回路，采用比例分離法整定的比例積分控制。
(3)前向(側(cè)向)位置控制回路，使用湊試法整定的比例積分控制。俯仰(滾
轉(zhuǎn))姿態(tài)控制回路作為內(nèi)回路設(shè)計(jì)，前向(側(cè)向)位置控制回路作為外回路進(jìn)行設(shè)
計(jì)。
(4)高度控制回路，使用湊試法整定的比例控制。
由于引入四個(gè)控制量，因此四旋翼飛行器的俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航和高度運(yùn)動(dòng)可分別通過四個(gè)控制輸入量來獨(dú)立實(shí)施控制。小擾動(dòng)線性化的數(shù)學(xué)模型，作為四旋翼飛行器控制對(duì)象進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，姿態(tài)控制作為內(nèi)回路，位置控制作為外回路，采用經(jīng)典的比例積分微分控制方法，設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制律和位置控制律，進(jìn)行了數(shù)字仿真。
2.5 數(shù)字仿真
（1）俯仰(滾轉(zhuǎn))姿態(tài)控制
對(duì)于俯仰(滾轉(zhuǎn))姿態(tài)回路，采用比例積分控制，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差為零，并且系統(tǒng)響應(yīng)速度快，趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度很快，系統(tǒng)性能得到有效地改善。
（2）偏航姿態(tài)控制
偏航姿態(tài)回路在沒有控制的情況下，系統(tǒng)隨著時(shí)間的增加，偏航角線性增長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都很差。對(duì)于偏航姿態(tài)回路，采用比例分離法，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差為零，并且響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)性能得到有效地改善。
（3）前向(側(cè)向)位置控制
前向(側(cè)向)位置回路在沒有控制的情況下，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差，穩(wěn)態(tài)誤差較大。由于俯仰(滾轉(zhuǎn))姿態(tài)內(nèi)回路中的比例積分控制抵消了位置控制回路中的積分環(huán)節(jié)，為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，位置控制系統(tǒng)的外回路仍采用比例積分控制設(shè)計(jì)方案，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差為零，系統(tǒng)性能得到有效地改善，但是系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度一般。
（4）高度控制
高度回路在沒有控制的情況下，系統(tǒng)隨著時(shí)間的增加，高度線性增長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都很差。考慮采用簡(jiǎn)單的比例控制對(duì)高度回路進(jìn)行控制，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。
畢 業(yè) 論 文 開 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語：
該設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)綜述詳細(xì)闡述了本課題的選題背景、自四旋翼飛行器的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀。有關(guān)論文各方面的工作基本能滿足老師的要求，同時(shí)整體進(jìn)程也比較符合學(xué)校對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間安排。
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的預(yù)測(cè)：
飛行控制計(jì)算機(jī)是四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀的基本組成部件。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于C8051F020 高性能單片機(jī)為核心的飛行控制計(jì)算機(jī)。該設(shè)計(jì)需要熟悉和掌握C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、自動(dòng)控制原理、電機(jī)學(xué)、現(xiàn)代控制理論等基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用。
本畢業(yè)設(shè)計(jì)具有一定的深度和廣度，工作量也適中。學(xué)生理解較為透徹，準(zhǔn)備比較充分，基本知識(shí)點(diǎn)還算掌握牢固；工作態(tài)度認(rèn)真，能夠按時(shí)完成老師交待的工作任務(wù)，并且根據(jù)自己的理解提出解決問題的思路，辦法。預(yù)計(jì)能夠按時(shí)完成本畢業(yè)設(shè)計(jì)。
同意開題。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在系審查意見：
系主任：
年 月 日